Elektrické stárnutí
Kromě tepelného stárnutí, spojeného s tepelným namáháním izolace, se v provozu uplatňuje i stárnutí elektrické, vyvolané čistě elektrickým namáháním. Elektrické stárnutí je fyzikálně a chemicky mnohem méně objasněný proces než teplotní stárnutí. Obvykle se obtížně rozlišuje příčina a následek tohoto degradačního děje.
Zpravidla se při elektrickém stárnutí izolací rozeznává narušování organických částí systému působením dílčích výbojů, od všeobecného elektrického stárnutí, které se neprojevuje viditelným narušením rozsáhlejších partií izolačního systému.
Stárnutí organických složek izolace vlivem dílčích výbojů je spojeno především s chemickými, mechanickými a částečně i tepelnými degradačními ději. Vznikající oxidy dusíku mohou s přítomnou vlhkostí tvořit kyseliny, vůči nimž není odolný např. materiál na bázi celulózy. Na lokalizovaných místech výboje dochází kromě toho k mechanické erozi vedoucí k úplnému proděravění organických hmot. Vyvíjející se teplo může rovněž způsobovat narušení, která však vzhledem k vlivům dříve uvedeným jsou, zejména při průmyslové frekvenci, zanedbatelná.
Pravděpodobnost, že u nové izolace dojde po přiložení napětí Un k průrazu je (rov 1):
kde Up je napětí elektrického průrazu. Toto napětí závisí na velikosti energie elektronů, která je dána rozdílem energie elektronů získané působením elektrického pole a energie, kterou elektrony ztrácejí interakcí s ostatními elektrony a se strukturou izolantu.
Existuje určitá hodnota intenzity elektrického pole, při jejímž překročení získaná energie elektronů je větší než energie ztracená interakcemi. V takovém případě lavinovitě vzrůstá počet volných elektronů a tím i teplota izolantu a nastává průraz. Velikost napětí čistě elektrického průrazu závisí, jak je výše uvedeno, na velikosti energetických ztrát elektronů interakcí se strukturou izolantu. Velikost ztrát tedy závisí na struktuře izolantu, která je v případě polymerů značně nepravidelná, což znemožňuje výpočet ztrát interakcí se strukturou. Navíc není struktura polymerů kompaktní, vyskytují se v ní prázdná místa, jejichž celkový objem je tzv. volným objemem polymerů.
S rostoucím volným objemem elektrická pevnost polymerů klesá. Volný objem však závisí na teplotě a to tak, že do teploty skelného přechodu Tg je téměř konstantní, při zvyšování teploty nad Tg roste. Proto v oblasti teplot nad Tg přispívá nárůst volného objemu k poklesu elektrické pevnosti polymerů.
V důsledku pohybů částí molekul mění prázdná místa ve struktuře polymerů svou polohu. Vznikají stále nová uspořádání prázdných míst a počet těchto uspořádání roste s rostoucím počtem přesunů částí molekul. Roste i tak pravděpodobnost vzniku místa, v němž bude kritická intenzita elektrického pole potřebná pro průraz nižší než intenzita průměrná.
Počet přesunů v čase t je úměrný poměru t/τ, kde τ je relaxační čas molekulového pohybu a t je čas, po který je izolant namáhán gradientem blížící se průraznému. Závislost elektrické pevnosti na 1/τ je dána vztahem (rov 2):
kde Ep1 je elektrická pevnost při neměnícím se pohybu prázdných míst.
Relaxační čas τ molekulárních pohybů silně závisí na teplotě. S rostoucí teplotou se zkracuje o několik řádů a proto s rostoucí teplotou elektrická pevnost polymerů silně klesá.
Odolnost různých izolantů vůči namáhání elektrickým napětím je možné hodnotit pomocí napěťo-časových charakteristik. Základní literatura k problematice elektrického znehodnocování [3], [4]